JP6941808B2 - All solid state battery - Google Patents
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Description
本発明は、正極層、負極層、固体電解質層、およびそれを用いた全固体電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode layer, a negative electrode layer, a solid electrolyte layer, and an all-solid-state battery using the same.
近年、パソコンや携帯電話などの電子機器の軽量化、コードレス化により、繰り返し使用可能な二次電池の開発が求められている。二次電池として、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、鉛畜電池、リチウムイオン電池などがあるが、リチウムイオン電池は、軽量、高電圧、高エネルギー密度といった特徴があることから、注目を集めている。 In recent years, there has been a demand for the development of rechargeable batteries that can be used repeatedly by reducing the weight and cordlessness of electronic devices such as personal computers and mobile phones. Secondary batteries include nickel cadmium batteries, nickel hydrogen batteries, lead storage batteries, lithium ion batteries, etc., but lithium ion batteries are attracting attention because of their features such as light weight, high voltage, and high energy density. ..
リチウムイオン電池は、正極層、負極層およびこれらの間に配置された電解質によって構成されており、電解質には有機溶媒に支持塩、例えば、六フッ化リン酸リチウムを溶解させた電解液または固体電解質が用いられる。現在、広く普及しているリチウムイオン電池は、有機溶剤を含む電解液が用いられているため可燃性である。そのため、安全性を確保するための材料、構造、システムが必要である。これに対し、電解質として不燃性である固体電解質を用いることで、上記、材料、構造、システムを簡素化できることが期待され、エネルギー密度の増加、製造コストの低減、生産性の向上を図ることができると考えられる。以下、固体電解質を用いたリチウムイオン電池を、「全固体電池」と呼ぶこととする。 A lithium ion battery is composed of a positive electrode layer, a negative electrode layer, and an electrolyte arranged between them. The electrolyte is an electrolytic solution or a solid in which a supporting salt, for example, lithium hexafluoride, is dissolved in an organic solvent. Electrolytes are used. Currently, widely used lithium-ion batteries are flammable because an electrolytic solution containing an organic solvent is used. Therefore, materials, structures, and systems are needed to ensure safety. On the other hand, by using a nonflammable solid electrolyte as the electrolyte, it is expected that the above-mentioned materials, structures, and systems can be simplified, and it is possible to increase the energy density, reduce the manufacturing cost, and improve the productivity. It is thought that it can be done. Hereinafter, a lithium ion battery using a solid electrolyte will be referred to as an "all-solid-state battery".
固体電解質は、有機固体電解質と無機固体電解質に大きく分けることができる。有機固体電解質は、25℃において、イオン伝導度が10−6S/cm程度であり、電解液の10−3S/cmに比べて極めて低い。そのため、有機固体電解質を用いた全固体電池を25℃の環境で動作させることは困難である。無機固体電解質としては、酸化物系固体電解質と硫化物系固体電解質とがある。これらのイオン伝導度は10−4〜10−3S/cmである。酸化物系固体電解質は、粒界抵抗が大きい。粒界抵抗を下げる手段として、粉体の焼結や薄膜化が検討されているが、焼結した場合は高温での処理により、正極あるいは負極の構成元素と固体電解質の構成元素が相互拡散するため、十分な特性を得ることが難しい。そのため、酸化物系固体電解質を用いた全固体電池は薄膜での検討が主流である。一方で、硫化物系固体電解質は、酸化物系固体電解質と比べて粒界抵抗が小さいため、粉体の圧縮成型のみで、良好な特性が得られることから、近年盛んに研究が進められている。 Solid electrolytes can be broadly divided into organic solid electrolytes and inorganic solid electrolytes. The organic solid electrolyte has an ionic conductivity of about 10-6 S / cm at 25 ° C., which is extremely lower than that of the electrolytic solution of 10-3 S / cm. Therefore, it is difficult to operate an all-solid-state battery using an organic solid electrolyte in an environment of 25 ° C. Examples of the inorganic solid electrolyte include an oxide-based solid electrolyte and a sulfide-based solid electrolyte. These ionic conductivitys are 10 -4 to 10 -3 S / cm. Oxide-based solid electrolytes have high grain boundary resistance. Sintering and thinning of powders have been studied as means for reducing grain boundary resistance, but when sintered, the constituent elements of the positive electrode or negative electrode and the constituent elements of the solid electrolyte are mutually diffused by treatment at a high temperature. Therefore, it is difficult to obtain sufficient characteristics. Therefore, the mainstream of all-solid-state batteries using oxide-based solid electrolytes is to study thin films. On the other hand, since the sulfide-based solid electrolyte has a smaller grain boundary resistance than the oxide-based solid electrolyte, good properties can be obtained only by compression molding of the powder, and therefore, research has been actively promoted in recent years. There is.
塗布型全固体電池は、金属箔からなる集電体上に形成された、正極活物質と固体電解質とバインダーを含む正極層と、金属箔からなる集電体上に形成された、負極活物質と固体電解質とバインダーを含む負極層と、これらの間に配置された、固体電解質とバインダーを含む固体電解質層とから構成されている。塗布型全固体電池は、正極層、負極層、および固体電解質層の各材料を、有機溶剤を用いてスラリー化し、金属箔上に成膜して作製されるが、有機溶剤を乾燥させる際に、多量の有機溶剤が放出されるため環境上好ましくない。 The coating type all-solid cell is a negative electrode active material formed on a positive electrode layer containing a positive electrode active material, a solid electrolyte and a binder formed on a current collector made of a metal foil, and a current collector made of a metal foil. It is composed of a negative electrode layer containing a solid electrolyte and a binder, and a solid electrolyte layer containing a solid electrolyte and a binder arranged between them. The coating type all-solid-state battery is produced by slurrying each material of the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the solid electrolyte layer with an organic solvent and forming a film on a metal foil. When the organic solvent is dried, the coating type all-solid-state battery is produced. , It is environmentally unfavorable because a large amount of organic solvent is released.
特許文献1には、有機溶剤を含有せず、正極層、負極層、および固体電解質層の各材料である、正極活物質、負極活物質、固体電解質、およびバインダーを含有する、低環境負荷型スラリーを用いた全固体電池の製造方法が開示されている。また、特許文献2には、エアロゾルポジション法を用いて、固体電解質界面に近いほど固体電解質の比率を高く配置し、集電界面に近いほど活物質の比率を高く配置し、全固体電池の厚み方向に電極材料の連続的な濃度勾配を形成する、全固体電池の製造方法が開示されている。
しかしながら、特許文献1に示す製造方法では、スラリーに有機溶剤を使用しないことにより、環境負荷が小さい全固体電池を得ることができるが、密着強度が十分に得られたとは言えない。十分な密着強度を確保するためには、バインダーを多く加える必要があるが、バインダーはリチウムイオン伝導および電子伝導を阻害するため、充放電特性が劣化する。特許文献2に示す製造方法では、作製された全固体電池は、固体電解質および活物質等の電極材料が濃度勾配を有するように配置されることにより、イオンの拡散がよく行われるようになり、出力性能が向上され、電池の高容量化を達成することができたものの、バインダーが含まれていないため十分な密着強度が得られたとは言えない。
However, in the production method shown in
本開示は、上記課題を鑑みてなされたものであり、環境負荷が小さく、かつ、高い密着強度と優れた電池特性とを両立する全固体電池を提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in view of the above problems, and an object of the present disclosure is to provide an all-solid-state battery having a small environmental load and having both high adhesion strength and excellent battery characteristics.
すなわち、本開示に係る全固体電池の一実施形態は、正極集電体上に形成された少なくとも正極活物質およびバインダーを含む正極合剤層を備える正極層と、負極集電体上に形成された少なくとも負極活物質およびバインダーを含む負極合剤層を備える負極層と、正極合剤層と負極合剤層との間に配置された、少なくともイオン伝導性を有する固体電解質を含む固体電解質層と、を備える全固体電池であって、正極合剤層、負極合剤層、および固体電解質層よりなる群から選ばれた少なくとも一層に含まれる溶剤の濃度が50ppm以下であり、正極合剤層および負極合剤層から選ばれた少なくとも一層に含まれるバインダーの濃度が、固体電解質層近傍よりも正極集電体または負極集電体近傍の方が高い。 That is, one embodiment of the all-solid-state battery according to the present disclosure is formed on a positive electrode layer including a positive electrode mixture layer containing at least a positive electrode active material and a binder formed on a positive electrode current collector and on a negative electrode current collector. A negative electrode layer including at least a negative electrode mixture layer containing at least a negative electrode active material and a binder, and a solid electrolyte layer containing at least an ionic conductive solid electrolyte arranged between the positive electrode mixture layer and the negative electrode mixture layer. The concentration of the solvent contained in at least one layer selected from the group consisting of the positive electrode mixture layer, the negative electrode mixture layer, and the solid electrolyte layer is 50 ppm or less, and the positive electrode mixture layer and the positive electrode mixture layer and The concentration of the binder contained in at least one layer selected from the negative electrode mixture layer is higher in the vicinity of the positive electrode current collector or the negative electrode current collector than in the vicinity of the solid electrolyte layer.
本開示により、環境負荷が小さく、かつ、高い密着強度と優れた電池特性(例えば、充放電特性)とを両立する全固体電池を提供する。 The present disclosure provides an all-solid-state battery having a small environmental load and having both high adhesion strength and excellent battery characteristics (for example, charge / discharge characteristics).
以下、本開示の実施の形態に係る全固体電池について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものであり、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは一例であり、本開示を限定するものではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうちの、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。 Hereinafter, the all-solid-state battery according to the embodiment of the present disclosure will be described with reference to the drawings. It should be noted that the following embodiments all show specific examples of the present disclosure, and numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions of components, connection forms, etc. are examples, and the present disclosure is limited. It's not something to do. Further, among the components in the following embodiments, the components not described in the independent claims indicating the highest level concept of the present disclosure will be described as arbitrary components.
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡素化される場合がある。 Further, each figure is a schematic view and is not necessarily exactly illustrated. In each figure, substantially the same configuration is designated by the same reference numerals, and duplicate description may be omitted or simplified.
(実施の形態)
以下、本実施の形態に係る全固体電池、および、全固体電池を構成する正極層、負極層、固体電解質層について、図面を参照して詳細に説明する。
(Embodiment)
Hereinafter, the all-solid-state battery according to the present embodiment, and the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the solid electrolyte layer constituting the all-solid-state battery will be described in detail with reference to the drawings.
A.全固体電池
本実施の形態に係る全固体電池100について、図1を用いて説明する。図1は、本実施の形態に係る全固体電池100の概略断面図である。
A. All-solid-state battery The all-solid-
図1に示すように、本実施の形態に係る全固体電池100は、例えば、正極集電体6と、正極集電体6上に形成された、固体電解質1、正極活物質2、バインダー4、および導電助剤5を含む正極合剤層21とを備える正極層20と、負極集電体7と、負極集電体7上に形成された、固体電解質1、負極活物質3、バインダー4、および導電助剤5を含む負極合剤層31とを備える負極層30と、正極合剤層21と負極合剤層31との間に配置された、少なくともイオン伝導性を有する固体電解質1を含む固体電解質層40と、を備える。正極合剤層21および負極合剤層31はそれぞれ、金属箔からなる正極集電体6および負極集電体7上に作製される。
As shown in FIG. 1, the all-solid-
なお、正極層20、負極層30および固体電解質層40の詳細な説明については後述するため、ここでの説明を省略する。
Since the detailed description of the
A−1.バインダー
本実施の形態に係る全固体電池100では、正極合剤層21に含まれるバインダー4の濃度は、固体電解質層40近傍よりも正極集電体6近傍のバインダー4の濃度が高く、好ましくは正極集電体6近傍のバインダー4の濃度が固体電解質層40近傍のバインダー4の濃度の10倍以上であり、より好ましくは、固体電解質層40近傍にバインダーが含まれないことである。
A-1. Binder In the all-solid-
また、負極合剤層31に含まれるバインダー4の濃度は、固体電解質層40近傍よりも負極集電体7近傍が高く、好ましくは、負極集電体7近傍のバインダー4の濃度が固体電解質層40近傍のバインダー4の濃度の10倍以上、より好ましくは、固体電解質層40近傍にバインダーが含まれないことである。
Further, the concentration of the
これにより、正極合剤層21および正極集電体6、ならびに、負極合剤層31および負極集電体7との密着性が向上し、全固体電池100の充放電に伴う正極合剤層21および負極合剤層31の膨張または収縮においても、正極合剤層21および負極合剤層31がそれぞれ、正極集電体6および負極集電体7から剥離するのを防止することができる。そのため、全固体電池100の充放電サイクル寿命特性を向上することができ、高い密着強度および優れた電池特性を得ることができる。ここでバインダー4が含まれないとは、バインダー4の含有量が100ppm以下のことである。
As a result, the adhesion between the positive
なお、本明細書において、濃度とは、特に断りのない限り、重量基準濃度である。 In the present specification, the concentration is a weight-based concentration unless otherwise specified.
A−2.導電助剤
本実施の形態に係る全固体電池100では、正極合剤層21に含まれる導電助剤5の濃度は、固体電解質層40近傍よりも正極集電体6近傍の導電助剤5の濃度が高く、好ましくは、正極集電体6近傍の導電助剤5の濃度が固体電解質層40近傍の導電助剤5の濃度の10倍以上である。全固体電池100の充放電時、正極集電体6近傍では、リチウムイオン伝導よりも電子伝導が多く行われる。そのため、正極集電体6近傍の導電助剤5の濃度を高くするとよい。これにより、充放電時の正極層20の電子伝導性を向上させることができ、良好な充放電特性が得られる。
A-2. Conductive Auxiliary Agent In the all-solid-
また、正極層20と同様に、全固体電池100の充放電時、負極集電体7近傍では、リチウムイオン伝導よりも電子伝導が多く行われる。そのため、本実施の形態における負極層30は、固体電解質層40近傍よりも負極集電体7近傍の導電助剤5の濃度を高くするとよく、好ましくは負極集電体7近傍の導電助剤5の濃度が固体電解質層40近傍の導電助剤5の濃度の8倍以上である。これにより、充放電時の負極層30の電子伝導性を向上させることができ、良好な充放電特性が得られる。
Further, similarly to the
A−3.溶剤
また、本実施の形態に係る全固体電池100は、正極合剤層21、負極合剤層31、および固体電解質層40よりなる群から選ばれた少なくとも一層に含まれる溶剤(具体的には、有機溶剤)の濃度が50ppm以下であればよく、好ましくは、30ppm以下であり、より好ましくは、0ppmである。
A-3. Solvent The all-solid-
溶剤としては、正極合剤層21、負極合剤層31、および固体電解質層40よりなる群から選ばれた少なくとも一層に含まれていればよい。溶剤としては、例えば、無極性溶媒若しくは極性溶媒、またはこれらの組み合わせを挙げることができる。無極性溶媒としては、例えば、ヘプタン、キシレン、若しくはトルエン等、またはこれらの組み合わせを挙げることができる。極性溶媒としては、例えば、第三級アミン系溶媒、エーテル系溶媒、チオール系溶媒、若しくはエステル系溶媒、またはこれらの組み合わせを挙げることができる。第三級アミン系溶媒としては、例えば、トリエチルアミン等、エーテル系溶媒としては、例えば、シクロペンチルメチルエーテル等、チオール系溶媒としては、例えば、エタンメルカプタン等、若しくはエステル系溶媒としては、例えば、酪酸ブチル等、またはこれらの組み合わせを挙げることができる。
The solvent may be contained in at least one layer selected from the group consisting of the positive
B.正極層
本実施の形態における正極層20について、図2を用いて説明する。
B. Positive Electrode Layer The
図2は、本実施の形態における正極層20の概略断面図である。なお、図2に示す正極層20の厚み方向において、正極集電体6に接する面とは反対側の面が固体電解質層40(図2では図示せず。)と接する面である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the
本実施の形態における正極層20は、例えば、金属箔からなる正極集電体6と、正極集電体6上に形成された正極合剤層21と、を備えている。
The
B−1.正極合剤層
正極合剤層21は、少なくとも正極活物質2およびバインダー4を含んでいればよく、本実施の形態に係る全固体電池100では、例えば、図1および図2に示すように、正極合剤層21は、固体電解質1、正極活物質2、バインダー4、および導電助剤5を含んでいる。
B-1. Positive electrode mixture layer The positive
B−1−1.バインダー
本実施の形態におけるバインダー4について説明する。本実施の形態におけるバインダー4は、特に限定されないが、具体的には、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、スチレン−ブタジエン−スチレン(SBS)、スチレン−エチレン−ブタジエン−スチレン(SEBS)、エチレン−プロピレン、ブチルゴム、クロロプレンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、アクリルゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム等の合成ゴム、あるいは、PVDF(ポリビニリデンフロライド)、PVDF-HFP(ポリビニリデンフロライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体)、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリビニルアルコール、CM(塩素化ポリエチレン)等が挙げられる。バインダー4は、1種または2種以上を組み合わせて使用してもよい。
B-1-1. Binder The
本実施の形態における正極合剤層21に含まれるバインダー4の濃度は、固体電解質層40近傍よりも正極集電体6近傍の方が高い。具体的には、図2に示すように、正極集電体6近傍の任意の領域A1および固体電解質層40近傍の任意の領域A2において、領域A2よりも領域A1の方が、バインダー4の濃度が高く、好ましくは領域A1に含まれるバインダー4の濃度が領域A2に含まれるバインダー4の濃度の10倍以上、より好ましくは、領域A2にバインダー4が含まれないことである。
The concentration of the
このように、正極合剤層21の厚み方向に濃度勾配を有するようにバインダー4を含むことにより、充放電時のリチウムイオン伝導性に優れ、正極集電体6と正極合剤層21との間で高い密着強度を得ることができる。
As described above, by including the
ここでバインダー4が含まれないとは、バインダー4の含有量が100ppm以下のことである。
Here, the fact that the
なお、正極集電体6近傍の任意の領域A1および固体電解質層40近傍の任意の領域A2は、それぞれ正極集電体6および固体電解質層40と接する面全体に広がっていてもよく、一部分に広がっていてもよい。また、図2に示す領域A1および領域A2は、それぞれ互いに重なり合っていてもよく、互いに個別に独立していてもよい。
The arbitrary region A1 in the vicinity of the positive electrode
以下、正極合剤層21中のバインダー4の濃度勾配の違いによる、全固体電池の耐久性および電池性能について説明する。
Hereinafter, the durability and battery performance of the all-solid-state battery due to the difference in the concentration gradient of the
本実施の形態に係る全固体電池100では、正極合剤層21中のバインダー4の濃度が、正極合剤層21の固体電解質層40近傍よりも正極集電体6近傍の方が高い。一方、比較例1に係る全固体電池では、バインダー4が正極合剤層21全体にほぼ均一に分散されており、正極合剤層21中のバインダー4の濃度が均一である。
In the all-solid-
図4は、本実施の形態に係る全固体電池100を、正極集電体6を外側にして負極集電体7が内側になるように湾曲させた時の、正極層20の状態を模式的に示した概略断面図である。このとき、正極層20は、正極集電体6が最も長い弧となるように曲げられる。一般的に金属箔からなる正極集電体6は伸びにくいため、正極合剤層21と正極集電体6は剥がれやすくなる。
FIG. 4 schematically shows a state of the
上述したように、本実施の形態における正極合剤層21では、固体電解質層40近傍よりも正極集電体6近傍のバインダー4の濃度が高い。そのため、正極集電体6と正極合剤層21との密着性を向上することができる。したがって、図4に示すように、全固体電池100を、正極集電体6を外側にして湾曲させても、正極集電体6と正極合剤層21が剥がれにくくなるため、正極層20の電子伝導性を向上することができる。
As described above, in the positive
一方、図6は、比較例1に係る全固体電池を、正極集電体6を外側にして負極集電体7が内側になるように湾曲させた時の、正極層20の状態を説明する概略断面図である。このとき、正極層20は、正極集電体6が最も長い弧となるように曲げられる。一般的に金属箔からなる正極集電体6は伸びにくいため、正極合剤層21と正極集電体6は剥がれやすくなる。
On the other hand, FIG. 6 illustrates the state of the
図6に示すように、正極層20は、バインダー4が正極合剤層21全体にほぼ均一に分散されているため、正極集電体6と正極合剤層21との密着性は向上しない。したがって、図6に示すように、全固体電池を、正極集電体6を外側にして湾曲させると、正極集電体6と正極合剤層21との密着性が十分でないため、正極集電体6と正極合剤層21が剥がれやすくなり、正極層20内の電子伝導経路が切断されやすくなる。
As shown in FIG. 6, in the
また、図9は、本実施の形態に係る全固体電池100を、正極集電体6を内側にして負極集電体7が外側になるように湾曲させた時の、正極層20の状態を説明する概略断面図である。このとき、正極層20は、曲率が付与されることで形状が略凹状に変化する。
Further, FIG. 9 shows a state of the
上述したように、本実施の形態における正極層20は、固体電解質層40近傍よりも正極集電体6近傍のバインダー4の濃度が高い。そのため、正極集電体6と正極合剤層21との密着性を向上することができる。したがって、図9に示すように、全固体電池100を、正極集電体6を内側にして湾曲させて正極層20に曲率が付与されても、正極集電体6の形状変化に正極合剤層21が追従しやすくなるため、正極層20の電子伝導性を向上することができる。
As described above, the
図4および図9から、本実施の形態におけるバインダー4の所定の濃度勾配の構成を正極層20に適用することにより、全固体電池100の良好な充放電特性を維持しながら、正極層20の外力に対する耐久性を高め、全固体電池100を各種機器に適用する場合の設計自由度を高めることができる。
From FIGS. 4 and 9, by applying the configuration of the predetermined concentration gradient of the
一方、図11は、比較例1に係る全固体電池を、正極集電体6を内側にして負極集電体7が外側となるように湾曲させた時の、正極層20の状態を説明する概略断面図である。このとき、正極層20は、曲率が付与されることで形状が略凹状に変化する。
On the other hand, FIG. 11 illustrates the state of the
図11に示すように、正極層20は、バインダー4が正極合剤層21全体にほぼ均一に分散されているため、正極集電体6と正極合剤層21との密着性は向上しない。したがって、図11に示すように、比較例1の正極層20を備える全固体電池を、正極集電体6を内側にして湾曲させると、正極集電体6と正極合剤層21との密着性が十分でないため、正極集電体6の形状変化に正極合剤層21が追従しにくくなり、正極層20内の電子伝導経路が切断されやすくなる。
As shown in FIG. 11, in the
図6および図11から、正極合剤層21にバインダー4をほぼ均一に分散させると、正極層20の外力に対する耐久性が低下して、全固体電池の充放電特性などの電池特性が低下する傾向がある。
From FIGS. 6 and 11, when the
B−1−2.導電助剤
以下、本実施の形態における導電助剤5について説明する。
B-1-2. Conductive Auxiliary Agent The conductive
本実施の形態における導電助剤5は、正極合剤層21の電子伝導度を向上させるものであれば特に限定しないが、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンファイバー等が挙げられる。導電助剤5は、1種または2種以上を組み合わせて使用してもよい。
The conductive
図1に示すように、本実施の形態に係る全固体電池100では、正極合剤層21に導電助剤5が含まれていてもよい。これにより、正極合剤層21内の電子伝導度を増加させることができるため、正極合剤層21中の電子伝導経路を確保することができ、全固体電池の内部抵抗を下げることができる。そのため、電子伝導経路を通じて伝導できる電流量が増大するため、全固体電池の充放電特性が向上する。
As shown in FIG. 1, in the all-solid-
本実施の形態では、バインダー4の濃度の他に、導電助剤5の濃度に関しても、正極合剤層21の厚み方向に所定の濃度勾配を有するように構成されている。すなわち、本実施の形態に係る全固体電池100は、正極合剤層21に含まれる導電助剤5の濃度が、固体電解質層40近傍よりも正極集電体6近傍の方が高くてもよい。
In the present embodiment, in addition to the concentration of the
具体的には、図2に示すように、正極集電体6近傍の任意の領域A3および固体電解質層40近傍の任意の領域A4において、領域A4よりも領域A3の方が、導電助剤5の濃度が高く、好ましくは領域A3に含まれる導電助剤5の濃度が領域A4に含まれる導電助剤5の濃度の10倍以上である。正極集電体6と正極合剤層21との間の電子伝導性を向上させるためである。
Specifically, as shown in FIG. 2, in an arbitrary region A3 near the positive electrode
なお、図2に示す領域A3および領域A4は、それぞれ互いに重なり合っていてもよく、互いに個別に独立していてもよい。 The regions A3 and A4 shown in FIG. 2 may overlap each other or may be independently independent of each other.
B−1−3.正極活物質
以下、本実施の形態における正極活物質2について説明する。
B-1--3. Positive Electrode Active Material The positive electrode
正極活物質2は、負極層30よりも高い電位で結晶構造内にリチウム(Li)が挿入または離脱され、それに伴って酸化または還元が行われる物質をいう。正極活物質2の種類は、全固体電池100の種類に応じて適宜選択され、例えば、酸化物活物質、硫化物活物質等が挙げられる。
The positive electrode
本実施の形態における正極活物質2は、例えば、酸化物活物質(リチウム含有遷移金属酸化物)が用いられる。酸化物活物質としては、例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiCoPO4、LiNiPO4、LiFePO4、LiMnPO4、これらの化合物の遷移金属を1または2の異種元素で置換することによって得られる化合物などが挙げられる。上記化合物の遷移金属を1または2の異種元素で置換することによって得られる化合物としては、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、LiNi0.5Mn1.5O2など、公知の材料が用いられる。正極活物質2は、1種または2種以上を組み合わせて使用してもよい。
As the positive electrode
正極活物質2の形状は、例えば、粒子状、薄膜状等が挙げられる。正極活物質2が粒子状である場合、その平均粒径(D50)は、例えば、50nm以上50μm以下の範囲内であり、好ましくは、1μm以上15μm以下の範囲内であることが好ましい。正極活物質2の平均粒径が小さすぎると、取扱性が悪くなる可能性があるからであり、一方、平均粒径が大きすぎると、平坦な正極層20を得るのが困難になる場合があるからである。なお、本明細書における「平均粒径」は、レーザ解析および散乱式粒度分布測定装置によって測定される体積基準の平均径をいう。
Examples of the shape of the positive electrode
正極合剤層21における正極活物質2の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、40重量%以上99重量%以下の範囲内であることが好ましく、中でも70重量%以上95重量%以下であることが好ましい。
The content of the positive electrode
正極活物質2の表面は、コート層で被覆されていてもよい。正極活物質2(例えば酸化物活物質)と固体電解質1(例えば、硫化物固体電解質)との反応を抑制することができるからである。コート層の材料としては、例えば、LiNbO3、Li3PO4、LiPON等のLiイオン伝導性酸化物を挙げることができる。コート層の平均厚さは、例えば、1nm以上20nm以下の範囲内であることが好ましく、1nm以上10nm以下の範囲内であることがより好ましい。
The surface of the positive electrode
正極合剤層21に含まれる正極活物質2と固体電解質1との割合は、重量換算で正極活物質/固体電解質=1以上19以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは、70/30以上19以下の範囲内である。正極合剤層21内でのリチウムイオン伝導経路と電子伝導経路の両方を確保するためである。
The ratio of the positive electrode
B−1−4.固体電解質
以下、本実施の形態における固体電解質1について説明する。
B-1-4. Solid Electrolyte Hereinafter, the
図1に示すように、本実施の形態における正極合剤層21は、正極活物質2およびバインダー4の他に、固体電解質1を含有する。固体電解質1は、伝導イオン種(例えば、リチウムイオン)に応じて適宜選択すればよく、例えば、硫化物系固体電解質と酸化物系固体電解質に大きく分けることができる。
As shown in FIG. 1, the positive
本実施の形態における硫化物系固体電解質の種類は特に限定しないが、Li2S−SiS2、LiI−Li2S−SiS2、LiI−Li2S−P2S5、LiI−Li2S−P2O5、LiI−Li3PO4−P2S5、Li2S−P2S5等が挙げられる。特に、Li、PおよびSを含むことが好ましい。リチウムイオン伝導性が優れているためである。硫化物系固体電解質は、1種または2種以上を組み合わせて使用してもよい。また、硫化物固体電解質は、結晶質であってもよく、非晶質であってもよく、ガラスセラミックスであってもよい。なお、上記「Li2S−P2S5」の記載は、Li2SおよびP2S5を含む原料組成を用いてなる硫化物固体電解質を意味し、他の記載についても同様である。
The type of the sulfide-based solid electrolyte in the present embodiment is not particularly limited, but Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 SP 2 S 5 , LiI-Li 2 S. -P 2 O 5, LiI-Li 3 PO 4 -P 2
本実施の形態においては、硫化物系固体電解質の一形態は、Li2SおよびP2S5を含む硫化物ガラスセラミックであり、Li2SおよびP2S5の割合は、モル換算でLi2S/P2S5=70/30以上4以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは、3以上4以下の範囲内である。電池特性に影響するリチウム濃度を保ちながら、イオン伝導性の高い結晶構造とするためである。また、バインダーと反応し、結合するためのP2S5の量を確保するためである。 In this embodiment, one form of the sulfide-based solid electrolyte is a sulfide glass ceramics containing Li 2 S and P 2 S 5, the proportion of Li 2 S and P 2 S 5 is Li molar basis 2 S / P 2 S 5 = 70/30 or more and 4 or less is preferable, and more preferably 3 or more and 4 or less. This is because the crystal structure has high ionic conductivity while maintaining the lithium concentration that affects the battery characteristics. Furthermore, to react with a binder, in order to ensure the amount of P 2 S 5 for coupling.
本実施の形態における硫化物固体電解質の形状としては、例えば、真球状、楕円球状等の粒子形状、薄膜形状等が挙げられる。硫化物固体電解質材料が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、特に限定されるものではないが、40μm以下であることが好ましく、20μm以下であることがより好ましく、10μm以下であることがさらに好ましい。正極層内の充填率向上を図りやすくなるからである。一方、平均粒径は、0.01μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましい。なお、平均粒径は、例えば、粒度分布計により決定できる。 Examples of the shape of the sulfide solid electrolyte in the present embodiment include a particle shape such as a true spherical shape and an elliptical spherical shape, and a thin film shape. When the sulfide solid electrolyte material has a particle shape, its average particle size (D 50 ) is not particularly limited, but is preferably 40 μm or less, more preferably 20 μm or less, and 10 μm or less. Is more preferable. This is because it becomes easy to improve the filling rate in the positive electrode layer. On the other hand, the average particle size is preferably 0.01 μm or more, and more preferably 0.1 μm or more. The average particle size can be determined by, for example, a particle size distribution meter.
本実施の形態における酸化物系固体電解質について説明する。酸化物系固体電解質の種類は特に限定しないが、LiPON、Li3PO4、Li2SiO2、Li2SiO4、Li0.5La0.5TiO3、Li1.3Al0.3Ti0.7(PO4)3、La0.51Li0.34TiO0.74、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3などが挙げられる。酸化物系固体電解質は、1種または2種以上を組み合わせて使用してもよい。 The oxide-based solid electrolyte in the present embodiment will be described. The type of oxide-based solid electrolyte is not particularly limited, but LiPON, Li 3 PO 4 , Li 2 SiO 2 , Li 2 SiO 4 , Li 0.5 La 0.5 TiO 3 , Li 1.3 Al 0.3 Ti. Examples thereof include 0.7 (PO 4 ) 3 , La 0.51 Li 0.34 TiO 0.74 , Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3. The oxide-based solid electrolyte may be used alone or in combination of two or more.
B−2.正極集電体
本実施の形態における正極層20は、例えば、金属箔からなる正極集電体6を備える。正極集電体6には、例えば、アルミニウム、金、白金、亜鉛、銅、SUS、ニッケル、スズ、チタン、または、これらの2種以上の合金などからなる箔状体、板状体、網目状体などが用いられる。
B-2. Positive electrode current collector The
また、正極集電体6の厚さ、形状などについては、全固体電池の用途に応じて適宜選択してもよい。
Further, the thickness, shape and the like of the positive electrode
C.負極層
本実施の形態における負極層30について、図3を用いて説明する。図3は、本実施の形態における負極層30の概略断面図である。なお、図3に示す負極層30の厚み方向において、負極集電体7に接する面とは反対側の面が固体電解質層40(図3では図示せず。)と接する面である。
C. Negative electrode layer The
本実施の形態における負極層30は、例えば、金属箔からなる負極集電体7と、負極集電体7上に形成された負極合剤層31と、を備えている。
The
C−1.負極合剤層
負極合剤層31は、少なくとも負極活物質3およびバインダー4を含んでいればよく、本実施の形態に係る全固体電池100では、例えば、図1および図3に示すように、負極合剤層31は、固体電解質1、負極活物質3、バインダー4、および導電助剤5を含んでいる。
C-1. Negative electrode mixture layer The negative
C−1−1.バインダー
バインダー4の種類については、「B.正極層」の項で上述したものと同じであるため、ここでの説明を省略する。
C-1-1. Binder The type of the
本実施の形態における負極合剤層31に含まれるバインダー4の濃度は、固体電解質層40近傍よりも負極集電体7近傍の方が高い。具体的には、図3に示すように、負極集電体7近傍の任意の領域B1および固体電解質層40近傍の任意の領域B2において、領域B2よりも領域B1の方がバインダー4の濃度が高く、好ましくは領域B1に含まれるバインダー4の濃度が領域B2に含まれるバインダー4の濃度の10倍以上であり、より好ましくは、領域B2にバインダー4が含まれないことである。
The concentration of the
このように、負極合剤層31の厚み方向に濃度勾配を有するようにバインダー4を含むことにより、充放電時のリチウムイオン伝導性に優れ、負極集電体7と負極合剤層31との間で高い密着強度が得ることができる。
As described above, by including the
ここでバインダー4が含まれないとは、バインダー4の含有量が100ppm以下のことである。
Here, the fact that the
なお、負極集電体7近傍の任意の領域B1および固体電解質層40近傍の任意の領域B2は、それぞれ負極集電体7および固体電解質層40と接する面全体に広がっていてもよく、一部分に広がっていてもよい。また、図3に示す領域B1および領域B2は、それぞれ互いに重なり合っていてもよく、互いに個別に独立していてもよい。
The arbitrary region B1 in the vicinity of the negative electrode
以下、負極合剤層31中のバインダー4の濃度勾配の違いによる、全固体電池の耐久性および電池性能について説明する。
Hereinafter, the durability and battery performance of the all-solid-state battery due to the difference in the concentration gradient of the
本実施の形態に係る全固体電池100では、負極合剤層31中のバインダー4の濃度が、負極合剤層31の固体電解質層40近傍よりも負極集電体7近傍の方が高い。一方、比較例2に係る全固体電池では、バインダー4が負極合剤層31全体にほぼ均一に分散されており、負極合剤層31中のバインダー4の濃度が均一である。
In the all-solid-
図5は、本実施の形態に係る全固体電池100を、負極集電体7を内側にして正極集電体6が外側になるように湾曲させた時の、負極層30の状態を模式的に示した概略断面図である。このとき、負極層30は、曲率が付与されることで形状が略凹状に変化する。
FIG. 5 schematically shows a state of the
上述したように、本実施の形態における負極層30は、固体電解質層40近傍よりも負極集電体7近傍のバインダー4の濃度が高い。そのため、負極集電体7と負極合剤層31との密着性を向上することができる。したがって、図5に示すように、全固体電池100を、負極集電体7を内側にして湾曲させて正極層20に湾曲がついても、負極集電体7の形状変化に負極合剤層31が追従しやすくなるため、負極層30の電子伝導性を向上することができる。
As described above, the
一方、図7は、比較例2に係る全固体電池を、負極集電体7を内側にして正極集電体6が外側になるように湾曲させた時の、負極層30の状態を模式的に示した概略断面図である。このとき、負極層30は、曲率が付与されることで形状が略凹状に変化する。
On the other hand, FIG. 7 schematically shows the state of the
図7に示すように、負極層30は、バインダー4が負極合剤層31全体にほぼ均一に分散されているため、負極集電体7と負極合剤層31との密着性は十分ではない。したがって、図7に示すように、比較例2の負極層30を備える全固体電池を、負極集電体7を内側にして湾曲させると、負極集電体7と負極合剤層31との密着性が十分でないため、負極集電体7の形状変化に負極合剤層31が追従しにくくなり、負極層30内の電子伝導経路が切断されやすくなる。
As shown in FIG. 7, in the
また、図8は、本実施の形態に係る全固体電池100を、負極集電体7を外側にして正極集電体6が内側になるように湾曲させた時の、負極層30の状態を説明する概略断面図である。このとき、負極層30は、負極集電体7が最も長い弧となるように曲げられる。一般的に金属箔からなる負極集電体7は伸びにくいため、負極合剤層31と負極集電体7は剥がれやすくなる。
Further, FIG. 8 shows a state of the
上述したように、本実施の形態における負極合剤層31では、固体電解質層40近傍よりも負極集電体7近傍のバインダー4の濃度が高い。そのため、負極集電体7と負極合剤層31との密着性を向上することができる。したがって、図8に示すように、全固体電池100を、負極集電体7を外側にして湾曲させても、負極集電体7と負極合剤層31が剥がれにくくなるため、負極層30の電子伝導性を向上することができる。
As described above, in the negative
図5および図8から、本実施の形態におけるバインダー4の所定の濃度勾配の構成を負極層30に適用することにより、全固体電池100の良好な充放電特性を維持しながら、負極層30の外力に対する耐久性を高め、全固体電池100を各種機器に適用する場合の設計自由度を高めることができる。
From FIGS. 5 and 8, by applying the configuration of the predetermined concentration gradient of the
一方、図10は、比較例2に係る全固体電池を、負極集電体7を外側にして正極集電体6が内側となるように湾曲させた時の、負極層30の状態を説明する概略断面図である。このとき、負極層30は、負極集電体7が最も長い弧となるように曲げられる。一般的に金属箔からなる負極集電体7は伸びにくいため、負極合剤層31と負極集電体7は剥がれやすくなる。
On the other hand, FIG. 10 illustrates the state of the
図10に示すように、負極層30は、バインダー4が負極合剤層31全体にほぼ均一に分散されているため、負極集電体7と負極合剤層31との密着性は十分ではない。したがって、図10に示すように、全固体電池を、負極集電体7を外側にして正極集電体6が内側となるように湾曲させると、負極集電体7と負極合剤層31との密着性が十分でないため、負極集電体7と負極合剤層31が剥がれやすくなり、負極層30内の電子伝導経路が切断されやすくなる。
As shown in FIG. 10, in the
図7および図10から、負極合剤層31にバインダー4をほぼ均一に分散させると、負極層30の外力に対する耐久性が低下して、全固体電池の充放電特性などの電池特性を低下する傾向がある。
From FIGS. 7 and 10, when the
なお、図1〜図3に示す本実施の形態において、全固体電池100を外部機器に接続する際に、設計の都合上、全固体電池100を湾曲させる場合は、負極層30の負極集電体7を外側にし、正極層20の正極集電体6を内側にして湾曲させる方が、正極層20の正極集電体6を外側にし、負極層30の負極集電体7を内側にして湾曲させる方よりも、より良い。
In the present embodiment shown in FIGS. 1 to 3, when the all-solid-
一般的に、負極層30に含まれる負極活物質3は伸びやすく、一方で、正極層20に含まれる正極活物質2は伸びにくい。そのため、負極層30を外側にして湾曲させる方が、形状変化に追従しやすく、正極合剤層21における正極集電体6近傍の領域および負極合剤層31における負極集電体7近傍の領域のバインダー4の量を減らすことが可能である。その結果、バインダー4に起因する電池容量の低下や内部抵抗の上昇を抑制することができ、全固体電池100の充放電特性の向上などの優れた電池特性が得られる。
Generally, the negative electrode
C−1−2.導電助剤
以下、本実施の形態における導電助剤5について説明する。導電助剤5の種類については、「B.正極層」の項で上述したものと同じであるため、ここでの説明を省略する。
C-1-2. Conductive Auxiliary Agent The conductive
図1に示すように、本実施の形態に係る全固体電池100は、負極合剤層31に導電助剤5が含まれていてもよい。これにより、負極合剤層31内の電子伝導度を増加させることができるため、負極合剤層31中の電子伝導経路を確保することができ、全固体電池100の内部抵抗を下げることができる。そのため、電子伝導経路を通じて伝導できる電流量が増大するため、全固体電池100の充放電特性が向上する。
As shown in FIG. 1, in the all-solid-
本実施の形態では、バインダー4の濃度の他に、導電助剤5の濃度に関しても、負極合剤層31の厚み方向に所定の濃度勾配を有するように構成されている。すなわち、本実施の形態に係る全固体電池100は、負極合剤層31に含まれる導電助剤5の濃度が、固体電解質層40近傍よりも負極集電体7近傍の方が高くてもよい。
In the present embodiment, in addition to the concentration of the
具体的には、図3に示すように、負極集電体7近傍の任意の領域B3および固体電解質層近傍の任意の領域B4において、領域B4よりも領域B3の導電助剤5の濃度が高く、好ましくは領域B3に含まれる導電助剤5の濃度が領域B4に含まれる導電助剤5の濃度の8倍以上である。負極集電体7と負極合剤層31との間の電子伝導性を向上させるためである。
Specifically, as shown in FIG. 3, in an arbitrary region B3 near the negative electrode
全固体電池100の充放電時、負極集電体7近傍では、リチウムイオン伝導よりも電子伝導が多く行われる。そのため、本実施の形態における負極層30では、固体電解質層40近傍よりも負極集電体7近傍の導電助剤5の濃度を高くすることにより、負極集電体7近傍における負極合剤層31の内部抵抗を低下することができる。これにより、全固体電池100の出力特性を向上することができる。
When the all-solid-
なお、領域B3および領域B4は、それぞれ互いに重なり合っていてもよく、互いに個別に独立していてもよい。 The regions B3 and B4 may overlap each other or may be independently independent of each other.
C−1−3.負極活物質
本実施の形態における負極活物質3について説明する。負極活物質3は、正極層20よりも低い電位で結晶構造内にリチウムが挿入または離脱され、それに伴って酸化または還元が行われる物質をいう。
C-1-3. Negative electrode active material The negative electrode
本実施の形態における負極活物質3としては、例えば、リチウム、インジウム、スズ、ケイ素といったリチウムとの易合金化金属、ハードカーボン、黒鉛などの炭素材料、あるいは、Li4Ti5O12、SiOxなどの酸化物活物質等の、公知の材料が用いられる。また、上述した負極活物質を適宜混合した複合体等も用いることができる。
Examples of the negative electrode
負極合剤層31に含まれる負極活物質3と固体電解質1との割合は、重量換算で負極活物質/固体電解質=40/60以上19以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは、1以上85/15以下の範囲内である。負極合剤層31内でのリチウムイオン伝導経路と電子伝導経路の両方を確保するためである。
The ratio of the negative electrode
C−1−4.固体電解質
固体電解質1については、「B.正極層」の項で上述したものと同じであるため、ここでの説明を省略する。
C-1-4. Solid Electrolyte The
C−2.負極集電体
本実施の形態における負極層30は、例えば、金属箔からなる負極集電体7を備える。負極集電体7には、例えば、SUS、金、白金、亜鉛、銅、ニッケル、チタン、スズ、または、これらの2種以上の合金などからなる箔状体、板状体、網目状体などが用いられる。
C-2. Negative electrode current collector The
また、負極集電体7の厚さ、形状などについては、全固体電池の用途に応じて適宜選択してもよい。
Further, the thickness, shape and the like of the negative electrode
D.固体電解質層
本実施の形態における固体電解質層40について説明する。固体電解質層40は、少なくともリチウムイオン伝導性を有する固体電解質1を含んでおり、固体電解質1同士の密着強度を高めるために、バインダー4を含んでもよい。
D. Solid Electrolyte Layer The
D−1.バインダー
バインダー4の種類については、「B.正極層」の項で上述したものと同じであるため、ここでの説明を省略する。
D-1. Binder The type of the
固体電解質層40におけるバインダー4の含有量については、バインダー4が固体電解質1の1wt%以下含まれることが好ましく、より好ましくは、0.5wt%以下であり、さらに好ましくは、バインダー4が含まれないことである。バインダー4が固体電解質層40のリチウムイオン伝導を阻害し、全固体電池100の充放電特性を劣化させるためである。ここでバインダー4が含まれないとは、バインダー4の含有量が100ppm以下のことである。
Regarding the content of the
D−2.固体電解質
固体電解質1については、「B.正極層」の項で上述したものと同じであるため、ここでの説明を省略する。
D-2. Solid Electrolyte The
E.その他の構成
本実施の形態に係る全固体電池100は、図示しないが、正極集電体6の正極合剤層21とは反対側の表面に端子(金属製正極リード)を溶接して取り付け、負極集電体7の負極合剤層31とは反対側の表面に端子(金属製負極リード)を溶接して取り付ける。こうして得られた全固体電池100、または複数個の前記全固体電池が接続して得られた電池群を電池用ケースに収納し、正極リードおよび負極リードを電池用ケースの外部に導出し、電池用ケースを封止するように構成されてもよい。
E. Other Configuration Although not shown, the all-solid-
ここで、電池用ケースとしては、例えば、アルミラミネートフィルムなどからなる袋、金属製(例えば、SUS、鉄、アルミニウムなど)または樹脂製の任意の形状のケースなどが用いられる。 Here, as the battery case, for example, a bag made of an aluminum laminated film or the like, a case made of metal (for example, SUS, iron, aluminum, etc.) or a case made of resin of any shape is used.
F.製造方法
F−1.全固体電池の製造方法
本実施の形態に係る全固体電池100の製造方法は、例えば、正極層20、負極層30、および固体電解質層40を準備する成膜工程と、準備した正極層20、負極層30、および固体電解質層40を、正極合剤層21と負極合剤層31との間に固体電解質層40が配置されるように合わせまたは積層する積層工程と、プレスを行うプレス工程と、を有する。
F. Manufacturing method F-1. Method for manufacturing an all-solid-state battery In the method for manufacturing an all-solid-
なお、成膜工程については、各層の製造方法の項にて後述するとおりである。 The film forming process will be described later in the section of the manufacturing method of each layer.
プレス工程では、成膜工程により得られた正極層20、負極層30、および固体電解質層40を、正極合剤層21と負極合剤層31との間に固体電解質層40が配置されるように積層した後、正極集電体6および負極集電体7の外側から、例えば、4ton/cm2でプレスを行い、全固体電池100を得る。プレス工程により、正極合剤層21、負極合剤層31、固体電解質層40の充填率を増加させる。充填率を増加させることで、正極合剤層21、負極合剤層31、固体電解質層40において、リチウムイオン伝導性および電子伝導性を向上させることができ、良好な電池特性が得られるためである。
In the pressing step, the
なお、充填率とは、ある物体の見かけ体積に対して、その物体の占める全物質の体積の割合を意味する。例えば、正極合剤層21の充填率とは、正極合剤層21の見かけ体積に対する、正極合剤層21を構成している全物質の体積の割合を意味する。また、プレス圧は4ton/cm2に限定されず、各層の充填率が所望の範囲に調整可能なプレス圧を適宜選択することができる。
The filling rate means the ratio of the volume of all substances occupied by the object to the apparent volume of the object. For example, the filling rate of the positive
F−2.正極層の製造方法
本実施の形態における正極層20の製造方法は、例えば、以下の2つの方法を挙げることができる。
F-2. Method for manufacturing the positive electrode layer As the method for manufacturing the
(1)本実施の形態における正極層20は、例えば、固体電解質1、正極活物質2、バインダー4および導電助剤5を有機溶剤に分散させてスラリーを作製し、得られたスラリーを正極集電体6の表面に塗布する塗布工程と、得られた塗膜を加熱乾燥させて有機溶剤を除去する乾燥および焼成工程と、正極集電体6上に形成された乾燥塗膜をプレスするプレス工程と、を含む製造方法(上述した成膜工程)により作製できる。
(1) For the
また、本製造方法においては、固体電解質1、正極活物質2、バインダー4および必要に応じて導電助剤5を含み、バインダー4の濃度および導電助剤5の濃度の異なる複数のスラリーを作製し、バインダー4の濃度および導電助剤5の濃度の高いスラリーから順番に正極集電体6に塗布しては乾燥させるという塗り重ねを行うことによっても、本実施の形態における正極層20を作製することができる。
Further, in the present production method, a plurality of slurries containing the
スラリーの塗布方法としては、特に限定されないが、ブレードコーター、グラビアコーター、ディップコーター、リバースコーター、ロールナイフコーター、ワイヤーバーコーター、スロットダイコーター、エアーナイフコーター、カーテンコーター、若しくは押出しコーター等、またはこれらの組み合わせの公知の塗布方法を採用することができる。 The method for applying the slurry is not particularly limited, but may be a blade coater, a gravure coater, a dip coater, a reverse coater, a roll knife coater, a wire bar coater, a slot die coater, an air knife coater, a curtain coater, an extrusion coater, or the like. A known coating method of the combination of the above can be adopted.
スラリーを調製する有機溶剤については、「A−3.溶剤」の項で上述したものと同じであるため、ここでの説明を省略する。 Since the organic solvent for preparing the slurry is the same as that described above in the section “A-3. Solvent”, the description thereof is omitted here.
なお、本実施の形態における正極合剤層21に含まれる有機溶剤の濃度は、50ppm以下であればよく、好ましくは、30ppm以下であり、より好ましくは、0ppmである。
The concentration of the organic solvent contained in the positive
有機溶剤の測定方法は特に限定されず、例えば、ガスクロマトグラフィー、質量変化法等を挙げることができる。 The method for measuring the organic solvent is not particularly limited, and examples thereof include gas chromatography, mass change method, and the like.
(2)また、本実施の形態における正極層20は、例えば、正極集電体6の表面に、バインダー4および導電助剤5を均一に配置した後、その表面に固体電解質1、正極活物質2および必要に応じてバインダー4および導電助剤5を混合した正極合剤を均一に積層する積層工程と、得られた積層体をプレスするプレス工程と、を含む製造方法(成膜工程)によっても作製できる。
(2) Further, in the
上述した2つの製造方法における乾燥および焼成工程としては、特に限定されることなく、公知の乾燥および焼成工程を採用してよい。プレス工程としては、特に制限されることはなく、公知のプレス工程を採用してよい。 The drying and firing steps in the above-mentioned two production methods are not particularly limited, and known drying and firing steps may be adopted. The pressing process is not particularly limited, and a known pressing process may be adopted.
乾燥および焼成工程の温度としては、特に限定されることなく、例えば、常温〜500℃の範囲の温度を挙げることができる。プレス圧としては、正極合剤層21の所定の充填率等を達成可能であれば、特に限定されない。
The temperature of the drying and firing steps is not particularly limited, and examples thereof include a temperature in the range of room temperature to 500 ° C. The press pressure is not particularly limited as long as a predetermined filling rate or the like of the positive
F−3.負極層の製造方法
本実施の形態の負極層30は、使用する材料を負極層30用に変更する以外は、上述の正極層20と同様にして作製することができる。
F-3. Method for manufacturing the negative electrode layer The
なお、本実施の形態における負極合剤層31に含まれる溶剤の濃度は、50ppm以下であればよく、好ましくは、30ppm以下であり、より好ましくは、0ppmである。
The concentration of the solvent contained in the negative
有機溶剤の測定方法については、上述したとおりである。 The method for measuring the organic solvent is as described above.
F−4.固体電解質層の製造方法
本実施の形態における固体電解質層40は、例えば、固体電解質1および必要に応じてバインダー4を有機溶剤に分散させてスラリーを作製し、得られたスラリーを基材上に塗布する点、およびプレス工程後に基材を剥がす工程を有する点以外は、上述の正極層20と同様にして作製することができる。
F-4. Method for Producing Solid Electrolyte Layer In the
スラリーを基材上に塗布および乾燥して固体電解質膜を作製する場合、スラリーの調製に用いる有機溶剤の種類については、「A−3.溶剤」の項で上述したものと同じであるため、ここでの説明を省略する。なお、スラリーの調製に用いる有機溶剤は、固体電解質の性能に悪影響を与えないものであれば特に限定されないが、例えば、炭化水素系有機溶媒のヘプタン、トルエン、ヘキサン等が挙げられ、好ましくは、脱水処理して水分含有量を低くした炭化水素系有機溶媒が用いられる。 When the slurry is applied on a substrate and dried to prepare a solid electrolyte membrane, the type of organic solvent used for preparing the slurry is the same as that described above in the section "A-3. Solvent". The description here will be omitted. The organic solvent used for preparing the slurry is not particularly limited as long as it does not adversely affect the performance of the solid electrolyte, and examples thereof include hydrocarbon-based organic solvents such as heptane, toluene, and hexane, which are preferable. A hydrocarbon-based organic solvent that has been dehydrated to reduce the water content is used.
上記基材は、固体電解質膜をその上に形成することができるものであれば特に制限されるものではなく、フィルム状の柔軟性を有する基材や硬質基材等を用いることができ、例えばテフロン(登録商標)、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム等の基材を用いることができる。 The base material is not particularly limited as long as a solid electrolyte membrane can be formed on the base material, and a base material having film-like flexibility, a hard base material, or the like can be used, for example. A base material such as Teflon (registered trademark) or polyethylene terephthalate (PET) film can be used.
なお、本実施の形態における固体電解質層40に含まれる溶剤の濃度は、50ppm以下であればよく、0ppmであってもよい。
The concentration of the solvent contained in the
有機溶剤の測定方法については、上述したとおりである。 The method for measuring the organic solvent is as described above.
なお、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態は、例示であり、本開示の特許請求に記載の範囲において、技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示の技術的範囲に包含される。 The present disclosure is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an example, and within the scope of the claims of the present disclosure, any one having substantially the same configuration as the technical idea and exhibiting the same effect and effect may be used. It is included in the technical scope of the present disclosure.
以下に本実施の形態の実施例について説明するが、本開示の実施の形態はこれらの実施例に限定されない。なお、特別の断りがない限り、各実施例は、露点が−45℃以下に管理されたグローブボックス内、または、ドライルーム内で実施した。 Examples of the present embodiment will be described below, but the embodiments of the present disclosure are not limited to these examples. Unless otherwise specified, each example was carried out in a glove box whose dew point was controlled to −45 ° C. or lower, or in a dry room.
(固体電解質の調製)
まず、固体電解質Li2S−P2S5を作製した。Li2SとP2S5をモル換算でLi2S:P2S5=75:25となるように秤量し、乳鉢を用いて粉砕し、混合した。次に、遊星型ボールミルによって、10時間ミリング処理を行うことで、ガラス状態の固体電解質を得た。この後、得られたガラス状態の固体電解質を不活性ガス雰囲気中でアニール処理をすることで、ガラスセラミック状態の固体電解質を得た。アニール処理温度は、示差熱分析測定により得られる結晶化ピークの温度を参考に決定した。
(Preparation of solid electrolyte)
First, a solid electrolyte Li 2 SP 2 S 5 was prepared. Li 2 S and P 2 S 5 were weighed so that Li 2 S: P 2 S 5 = 75: 25 in terms of molars, crushed using a mortar, and mixed. Next, a solid electrolyte in a glass state was obtained by performing a milling treatment for 10 hours with a planetary ball mill. Then, the obtained glass-state solid electrolyte was annealed in an inert gas atmosphere to obtain a glass-ceramic state solid electrolyte. The annealing treatment temperature was determined with reference to the temperature of the crystallization peak obtained by differential thermal analysis measurement.
得られた固体電解質のイオン伝導度を、交流インピーダンス法によって測定したところ、7.0×10−4S/cmであった。 The ionic conductivity of the obtained solid electrolyte was measured by the AC impedance method and found to be 7.0 × 10 -4 S / cm.
(実施例1)
正極活物質としてLiNi0.8Co0.15Al0.05O2(平均粒径:5μm)と、上記ガラスセラミックス状態の固体電解質75Li2S−25P2S5を用意し、乳鉢で混合した。得られた粉体をバインダーと導電助剤が均一に配置された銅箔上に成膜し、プレスを行って、実施例1の正極層を作製した。
(Example 1)
LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 (average particle size: 5 μm) and the solid electrolyte 75Li 2 S-25P 2 S 5 in the glass ceramic state were prepared as positive electrode active materials and mixed in a mortar. .. The obtained powder was formed into a film on a copper foil in which a binder and a conductive auxiliary agent were uniformly arranged, and pressed to prepare a positive electrode layer of Example 1.
なお、実施例1では、「F−2.正極層の製造方法」の項にて説明した製造方法(2)にて正極層を作製した。この場合、有機溶剤は使用しないため、正極層に含まれる有機溶剤の濃度は0ppmである。 In Example 1, the positive electrode layer was produced by the production method (2) described in the section “F-2. Method for producing the positive electrode layer”. In this case, since no organic solvent is used, the concentration of the organic solvent contained in the positive electrode layer is 0 ppm.
(比較例1)
銅箔上にバインダーと導電助剤を配置していないこと以外、実施例1と同じ方法で、比較例1の正極層を作製した。
(Comparative Example 1)
The positive electrode layer of Comparative Example 1 was prepared by the same method as in Example 1 except that the binder and the conductive auxiliary agent were not arranged on the copper foil.
(実施例2)
負極活物質として黒鉛、上記ガラスセラミックス状態の固体電解質75Li2S−25P2S5を用意し、混合した。得られた粉体をバインダーと導電助剤が均一に配置された銅箔上に成膜し、プレスを行って、実施例2の負極層を作製した。
(Example 2)
Graphite and the solid electrolyte 75Li 2 S-25P 2 S 5 in the glass-ceramic state were prepared and mixed as the negative electrode active material. The obtained powder was formed into a film on a copper foil in which a binder and a conductive auxiliary agent were uniformly arranged, and pressed to prepare a negative electrode layer of Example 2.
なお、実施例2では、実施例1と同様に、有機溶剤を使用しない製造方法にて負極層を作製した。この場合、有機溶剤は使用しないため、負極層に含まれる有機溶剤の濃度は、0ppmである。 In Example 2, the negative electrode layer was produced by a manufacturing method that does not use an organic solvent, as in Example 1. In this case, since no organic solvent is used, the concentration of the organic solvent contained in the negative electrode layer is 0 ppm.
(比較例2)
銅箔上にバインダーと導電助剤を配置していないこと以外、実施例2と同じ方法で、比較例2の負極を作製した。
(Comparative Example 2)
The negative electrode of Comparative Example 2 was produced by the same method as in Example 2 except that the binder and the conductive auxiliary agent were not arranged on the copper foil.
(全固体電池の作製)
実施例1、2および比較例1、2で得られた各層(正極層および負極層)を用いて、正極層、固体電解質層、および負極層を備える全固体電池を作製した。
(Manufacturing of all-solid-state battery)
Using each of the layers (positive electrode layer and negative electrode layer) obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, an all-solid-state battery including a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer was produced.
(密着性評価)
実施例1、2および比較例1、2で作製した正極層および負極層を用いた全固体電池において、正極合剤層および負極合剤層と各集電体との密着性の評価を行った。密着性の評価は、全固体電池を直径10mmの丸い棒に巻き付け、正極合剤層および負極合剤層と各集電体との間に生じるひび割れの程度を目視で観察して行った。結果を表1に示す。ひび割れが無く、強い密着性を示したものを「○」、一部にひび割れた生じ、中間の密着性を示したものを「△」、全体にひび割れが生じ、弱い密着性を示したものを「×」で示す。
(Adhesion evaluation)
In the all-solid-state battery using the positive electrode layer and the negative electrode layer produced in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, the adhesion between the positive electrode mixture layer and the negative electrode mixture layer and each current collector was evaluated. .. The adhesion was evaluated by winding an all-solid-state battery around a round rod having a diameter of 10 mm and visually observing the degree of cracks generated between the positive electrode mixture layer and the negative electrode mixture layer and each current collector. The results are shown in Table 1. Those with no cracks and showing strong adhesion are marked with "○", those with partial cracks and intermediate adhesion are marked with "△", and those with cracks throughout and showing weak adhesion are marked with "○". It is indicated by "x".
表1に示すように、実施例1、2は共に、密着強度が高かった。集電体近傍に配置されたバインダーが密着強度を高めたためであると考えられる。一方で、比較例1、2においては、集電体近傍にバインダーが配置されていないため、集電体と合剤層との間の密着強度が低かった。 As shown in Table 1, both Examples 1 and 2 had high adhesion strength. It is considered that this is because the binder arranged near the current collector enhances the adhesion strength. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, since the binder was not arranged near the current collector, the adhesion strength between the current collector and the mixture layer was low.
(電子伝導度測定)
実施例1および比較例1で得られた正極層と、実施例2および比較例2で得られた負極層とを用いた全固体電池において、電子伝導度の測定を行った。結果を、表2に示す。
(Electronic conductivity measurement)
The electron conductivity was measured in an all-solid-state battery using the positive electrode layer obtained in Example 1 and Comparative Example 1 and the negative electrode layer obtained in Example 2 and Comparative Example 2. The results are shown in Table 2.
表2に示すように、実施例1と比較例1とを比べると、大きな変化はなかった。これは、実施例1では集電体近傍のバインダー濃度が高く、バインダーにより電子伝導性が阻害されるものの、あわせて電子伝導性を確保するため導電助剤濃度が、集電体近傍が高いためであると考えられる。同様に、実施例2と比較例2とを比べると、大きな変化はなかった。これは、実施例2では集電体近傍のバインダー濃度が高く、バインダーにより電子伝導性が阻害されるものの、あわせて電子伝導性を確保するため導電助剤濃度が、集電体近傍が高いためであると考えられる。 As shown in Table 2, there was no significant change between Example 1 and Comparative Example 1. This is because, in Example 1, the binder concentration in the vicinity of the current collector is high, and the binder inhibits the electron conductivity. However, in order to ensure the electron conductivity, the concentration of the conductive auxiliary agent is high in the vicinity of the current collector. Is considered to be. Similarly, when Example 2 and Comparative Example 2 were compared, there was no significant change. This is because, in Example 2, the binder concentration in the vicinity of the current collector is high, and the binder inhibits the electron conductivity. However, in order to ensure the electron conductivity, the concentration of the conductive auxiliary agent is high in the vicinity of the current collector. Is considered to be.
密着性評価および電子伝導度の評価により、実施例1および2は、高い密着性と優れた電池特性を両立する全固体電池が得られることが分かった。 From the adhesion evaluation and the electron conductivity evaluation, it was found that in Examples 1 and 2, an all-solid-state battery having both high adhesion and excellent battery characteristics can be obtained.
以上のように、本実施の形態に係る全固体電池100は、正極集電体6と、正極集電体6上に形成された、少なくとも正極活物質2およびバインダー4を含む正極合剤層21とを備える正極層20と、負極集電体7と、負極集電体7上に形成された、少なくとも負極活物質3およびバインダー4を含む負極合剤層31とを備える負極層30と、正極合剤層21と負極合剤層31との間に配置された、少なくともイオン伝導性を有する固体電解質1を含む固体電解質層40と、を備える全固体電池100であって、正極合剤層21、負極合剤層31、および固体電解質層40よりなる群から選ばれた少なくとも一層に含まれる溶剤の濃度が50ppm以下であり、正極合剤層21および負極合剤層31から選ばれた少なくとも一層に含まれるバインダー4の濃度が、固体電解質層40近傍よりも正極集電体6または負極集電体7近傍の方が高い。
As described above, in the all-solid-
本実施の形態に係る全固体電池100は、正極合剤層21、負極合剤層31、および固体電解質層40よりなる群から選ばれた少なくとも一層に含まれる溶剤(有機溶剤)の濃度が50ppm以下であり、溶剤を実質的に含まないため、環境負荷が小さい。また、本実施の形態に係る全固体電池100は、正極合剤層21および負極合剤層31から選ばれた少なくとも一層に含まれるバインダー4の濃度が、固体電解質層40近傍よりも正極集電体6あるいは負極集電体7近傍の方が高く、全固体電池100の厚み方向にバインダー4が所定の濃度勾配を有するため、高い密着強度と優れた電池特性(例えば、充放電特性)とを両立することができる。
In the all-solid-
また、本実施の形態に係る全固体電池100は、正極合剤層21に導電助剤5が含まれてもよい。これにより、正極合剤層21内の電子伝導度を増加させることができるため、正極合剤層21中の電子伝導経路を確保することができる。
Further, in the all-solid-
本実施の形態に係る全固体電池100は、正極合剤層21に含まれる導電助剤5の濃度は、固体電解質層40近傍よりも正極集電体6近傍の方が高くてもよい。正極集電体6の近傍において導電助剤5の含有量が多くなるような濃度勾配を有していることにより、正極集電体6近傍における正極合剤層21の内部抵抗を低下することができる。これにより、全固体電池100の出力特性を向上することができる。
In the all-solid-
さらに、本実施の形態に係る全固体電池100は、負極合剤層31に導電助剤5が含まれていてもよい。これにより、負極合剤層31内の電子伝導度を増加させることができるため、負極合剤層31中の電子伝導経路を確保することができる。
Further, in the all-solid-
また、本実施の形態に係る全固体電池100は、負極合剤層31に含まれる導電助剤5の濃度は、固体電解質層40近傍よりも負極集電体7近傍の方が高くてもよい。負極集電体7の近傍において導電助剤5の含有量が多くなるような濃度勾配を有していることにより、負極集電体7近傍における負極合剤層31の内部抵抗を低下することができる。これにより、全固体電池100の出力特性を向上することができる。
Further, in the all-solid-
以上、本開示に係る全固体電池について、実施の形態および実施例に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態および実施例に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を実施の形態および実施例に施したものや、実施の形態および実施例における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本発明の範囲に含まれる。 The all-solid-state battery according to the present disclosure has been described above based on the embodiments and examples, but the present disclosure is not limited to these embodiments and examples. As long as the gist of the present disclosure is not deviated, various modifications that can be conceived by those skilled in the art are applied to the embodiments and examples, and other embodiments constructed by combining some components in the embodiments and examples are also available. , Included in the scope of the present invention.
本開示に係る正極層、負極層、固体電解質層、およびそれを用いた全固体電池は、携帯電子機器などの電源や車載用電池への応用が期待される。 The positive electrode layer, the negative electrode layer, the solid electrolyte layer, and the all-solid-state battery using the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the all-solid-state battery using the same are expected to be applied to a power source for portable electronic devices and an in-vehicle battery.
1 固体電解質
2 正極活物質
3 負極活物質
4 バインダー
5 導電助剤
6 正極集電体
7 負極集電体
20 正極層
21 正極合剤層
30 負極層
31 負極合剤層
40 固体電解質層
100 全固体電池
1
Claims (5)
前記正極合剤層、前記負極合剤層、および前記固体電解質層よりなる群から選ばれた少なくとも一層に含まれる溶剤の濃度が50ppm以下であり、
前記正極合剤層中の前記正極集電体近傍の前記バインダーの濃度が、前記正極合剤層中の前記固体電解質層近傍の前記バインダーの濃度の10倍以上であり、
前記負極合剤層中の前記負極集電体近傍のバインダーの濃度が、前記負極合剤層中の前記固体電解質層近傍の前記バインダーの濃度の10倍以上である、全固体電池。 A positive electrode layer including a positive electrode current collector and a positive electrode mixture layer containing at least a positive electrode active material and a binder formed on the positive electrode current collector, a negative electrode current collector, and a negative electrode current collector are formed on the negative electrode current collector. A solid electrolyte having at least ionic conductivity, which is arranged between the positive electrode mixture layer and the negative electrode mixture layer, and the negative electrode layer having at least the negative electrode mixture layer containing the negative electrode active material and the binder. An all-solid-state battery comprising a solid electrolyte layer comprising.
The concentration of the solvent contained in at least one layer selected from the group consisting of the positive electrode mixture layer, the negative electrode mixture layer, and the solid electrolyte layer is 50 ppm or less.
The concentration of the binder of the positive electrode current collector vicinity of the positive electrode mixture layer is not less than 10 times the concentration of the binder of the solid electrolyte layer adjacent the positive electrode mixture layer,
The negative electrode wherein the adhesive layer density of the negative electrode current collector near the binder is the least 10 times the concentration of the solid electrolyte layer and the binder in the vicinity of the negative electrode mixture layer, all-solid-state battery.
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